Toenemende loopautomatisering bij oudere volwassenen door gebruik te maken van locomotorische aanpassing

Beperkingen in de mobiliteit van de gemeenschap, de mogelijkheid om buitenshuis te verhuizen, komen vaak voor op oudere leeftijd en dragen bij aan handicaps, opname in instellingen en een slechte kwaliteit van leven. Succesvolle gemeenschapsmobiliteit vereist een snelle integratie van informatie van zowel externe (bijv. oppervlaktekwaliteit, afstanden) en intern (bijv. vermoeidheid, pijn) voor het individu. Onder normale omstandigheden vindt integratie van deze inputs plaats in subcorticaal-frontale (bijv. basale ganglia en cerebellum naar primaire motorcortex) netwerken en bevordert automatische motorische controle met weinig eisen aan de aandachtsgerelateerde netwerken die zich voornamelijk in de prefrontale cortex (PFC) bevinden. . Naarmate het loopautomatisme bij oudere volwassenen afneemt6, neemt de activatie van de PFC tijdens looptaken toe. Gebrek aan loopautomatisme kan de mobiliteit van de gemeenschap verstoren, aangezien de PFC niet langer vrij is om andere informatie te verwerken voor het navigeren in gemeenschapsomgevingen. Een andere potentiële bijdrage aan verminderde mobiliteit van de gemeenschap is verminderde motorische aanpassing. Met name oudere volwassenen zijn trager in het aanpassen van hun bewegingen bij interactie met een nieuwe omgeving en hebben meer moeite met het wisselen van motorische patronen bij het wisselen tussen verschillende loopomstandigheden. Deze moeilijkheid bij het wisselen van motorische patronen houdt verband met het cognitieve schakelvermogen, dat afhankelijk is van vergelijkbare subcorticaal-frontale processen die ten grondslag liggen aan motorische controle. Hoewel de motorische aanpassing bij normale veroudering wordt verminderd, geven gegevens uit ons laboratorium aan dat oudere volwassenen hun plasticiteit behouden en de motorische aanpassing kunnen verbeteren. Onze centrale hypothese is dat het vermogen om de motorische aanpassing te verbeteren groter is bij mensen met een hogere automatisering van het looppatroon en een grotere integriteit van de prefrontaal-subcorticale verbindingen.

De mate van loopautomatisering kan worden getest door de cognitieve belasting tijdens het lopen te verhogen (bijv. het uitvoeren van een cognitieve taak tijdens het lopen) en de gerelateerde PFC-respons te meten. Kleine veranderingen in PFC-activiteit en motorische prestaties als reactie op de opgelegde cognitieve belasting wijzen op een intact loopautomatisme. Omgekeerd duidt een grote verandering in PFC-activiteit om de motorische prestaties te behouden met toevoeging van een cognitieve belasting op verminderde loopautomatisering. Het aanpassingsvermogen van het bewegingsapparaat kan worden gemeten door de loopcontext te manipuleren op een loopband met gesplitste riem, waarbij de benen met verschillende snelheden bewegen. De aanpassingssnelheid aan de gespleten bandomgeving kan worden gemeten, evenals het vermogen om motorische patronen te veranderen van de gespleten band naar lopen op de grond. Veelbelovende gegevens uit onze labs (n=8) geven aan dat oudere deelnemers de locomotorische aanpassing verbeteren na het ervaren van meerdere overgangen tussen de gespleten toestand (snelheidsverhouding 2:1) en regelmatig lopen (snelheidsverhouding 1:1). Noch de onderliggende mechanismen, noch de klinische relevantie van dergelijke verbeteringen zijn echter bekend.

De onderzoekers zullen het volgende testen: 1) de mate van verbetering van de motorische aanpassing bij personen van 65 jaar en ouder; 2) de associatie tussen initiële loopautomatisering (d.w.z. minder PFC-activiteit tijdens lopen met een cognitieve belasting) en prefrontaal-subcorticale functie (gemeten via neuropsychologische testen); en 3) of verbeteringen in het aanpassingsvermogen van het bewegingsapparaat resulteren in verbeteringen in de Functional Gait Assessment (FGA), een klinisch relevante indicator van dynamische balans en mobiliteit bij oudere volwassenen. Om deze vragen te beantwoorden, combineren de onderzoekers innovatieve technieken uit meerdere laboratoria van de Universiteit van Pittsburgh. Automatische motorbesturing (Dr. Rosso's expertise) zal worden beoordeeld door middel van draadloze functionele nabij-infraroodspectroscopie (fNIRS) van de PFC tijdens moeilijke loopomstandigheden (lopen op een oneffen oppervlak en lopen terwijl u om de andere letter van het alfabet reciteert). fNIRS maakt realtime beoordeling van corticale activiteit mogelijk terwijl een deelnemer rechtop staat en beweegt door middel van op licht gebaseerde metingen van veranderingen in zuurstofrijk en zuurstofarm hemoglobine. Locomotorische aanpassing (Dr. Torres-Oviedo's expertise) zal worden geëvalueerd met een loopprotocol met gesplitste riem (d.w.z. benen die met verschillende snelheden bewegen) die de onderzoekers en anderen hebben gebruikt om het motorische aanpassingsvermogen bij oudere personen robuust te kwantificeren en waarvan is aangetoond dat ze afhankelijk zijn van cerebellaire en basale ganglia functie. De onderzoekers zullen zich concentreren op twee belangrijke aspecten van locomotorische aanpassing die de onderzoekers eerder hebben gekwantificeerd: (Doel 1) snelheid waarmee individuen zich aanpassen aan de nieuwe (gesplitste) loopomgeving en (Doel 2) het vermogen om over te schakelen tussen verschillende looppatronen (d.w.z. de gespleten band en de bovengrondse looppatronen), gedefinieerd als motorisch schakelen. Aanpassingssnelheid en motorwisseling worden gekwantificeerd met behulp van staplengte-asymmetrie, wat het verschil is tussen een staplengte genomen met het ene been versus het andere. De onderzoekers zullen zich concentreren op deze loopparameter omdat deze een robuuste karakteristiek is voor loopaanpassing die wordt opgeroepen door loopprotocollen met een gesplitste band. Ten slotte zullen de onderzoekers de cognitieve functie van de deelnemer kwantificeren (Dr. Weinstein's expertise) door neuropsychologische batterij gevoelig voor prefrontale-subcorticale functie. De onderzoekers zullen zich voornamelijk richten op het evalueren van 1) het leervermogen afhankelijk van cerebellaire structuren en 2) het beoordelen van de executieve functie die sterk afhankelijk is van PFC en, in mindere mate, de basale ganglia.

Met deze gegevens kunnen de onderzoekers de volgende doelen bereiken:

Doel 1. Vaststellen van het verband tussen verbeterde motorische aanpassingssnelheid en 1) de loopautomatisering van individuen en 2) cognitieve functie. Hypothese: veranderingen in aanpassingssnelheid zullen worden voorspeld door initiële loopautomatisering en cerebellair gemedieerd leervermogen. Dit is gebaseerd op het bewijs dat motorische aanpassingen tijdens lopen met een gespleten band afhangen van basale ganglia en cerebellaire functie.

Doel 2. Vaststellen van het verband tussen verbeterd motorisch schakelen en de loopautomatisering en cognitieve functie van individuen. Hypothese: initiële loopautomatisering en executieve controle zullen verbeteringen in locomotorisch schakelen voorspellen. Dit is gebaseerd op het bewijs dat motorisch schakelen direct verband houdt met basale ganglia-afhankelijke cognitieve taken zoals set-shifting.

Doel 3. Vaststellen in hoeverre een verbeterd motorisch aanpassingsvermogen de mobiliteit kan verbeteren. Hypothese: veranderingen in locomotorisch aanpassingsvermogen zullen niet exclusief zijn voor de laboratoriumcontext, maar zullen zich veralgemenen naar andere locomotorische taken die aanpassingsvermogen vereisen, zoals gemeten in de Functional Gait Assessment.

Deze resultaten zullen sterke voorlopige gegevens opleveren voor een toekomstig onderzoek om deze associaties in een grotere steekproef te onderzoeken met uitgebreidere metingen van mobiliteitsbijdragers, neuroimaging voor integriteit van belangrijke hersenregio's en objectieve metingen van gemeenschapsmobiliteit. Deze resultaten zullen nieuwe factoren identificeren die bijdragen aan het verlies van mobiliteit in de gemeenschap bij oudere volwassenen en nieuwe therapeutische doelen kunnen identificeren voor interventies die de aanpassing van het looppatroon verbeteren om vallen te voorkomen en de onafhankelijkheid te vergroten.